1、氯气的生成及其性质的微型实验氯气的生成及其性质的微型实验一、绿色化学一、绿色化学 一种新的化学理念一种新的化学理念1.1.绿色化学的诞生绿色化学的诞生 从从19601960起，化学农药的污染问题被提出来，起，化学农药的污染问题被提出来，人们开始注意到人口的急剧增加，工业的高度发人们开始注意到人口的急剧增加，工业的高度发达，资源的极度消耗，污染的日益严重，使人类达，资源的极度消耗，污染的日益严重，使人类不得不面对严重的环境危机。当今世界各国生产不得不面对严重的环境危机。当今世界各国生产使用着约十万种化学品。仅美国化学工业每年就使用着约十万种化学品。仅美国化学工业每年就要排放约三十亿吨化学废弃物，
2、其中进入大气的要排放约三十亿吨化学废弃物，其中进入大气的约约60%60%，土壤，土壤10%10%，表面水系，表面水系10%10%和地下和地下20%.20%.而在而在19951995年香港为打捞年香港为打捞4765.64765.6吨海上垃圾，吨海上垃圾，耗资耗资12001200万港币。万港币。2 2 这些问题不但影响一这些问题不但影响一个国家的经济发展，而且对环境造成的危害个国家的经济发展，而且对环境造成的危害将对人类自身的健康甚至是生存都造成了严将对人类自身的健康甚至是生存都造成了严重的威胁。解决问题的办法初期主要以治理重的威胁。解决问题的办法初期主要以治理为主，但这些办法效果有限，费用昂贵。
3、在为主，但这些办法效果有限，费用昂贵。在积累了积累了3030年治理污染的经验后，人们提出了年治理污染的经验后，人们提出了污染预防这一新的概念，最后美国环保局提污染预防这一新的概念，最后美国环保局提出了出了“绿色化学绿色化学”这一这一“新化学婴儿新化学婴儿”。2.2.什么是绿色化学什么是绿色化学?绿色化学又称环境无害化学，与其相对应的技绿色化学又称环境无害化学，与其相对应的技术称为绿色技术、环境友好技术。理想的绿色技术称为绿色技术、环境友好技术。理想的绿色技术应采用具有一定转化率的高选择性化学反应来术应采用具有一定转化率的高选择性化学反应来生产目的产品，不生成或很少生成副产品或废物，生产目的产品
4、，不生成或很少生成副产品或废物，实现或接近废物的实现或接近废物的 零排放零排放 过程。化学工艺过程过程。化学工艺过程中使用无毒无害原料、溶剂和催化剂。中使用无毒无害原料、溶剂和催化剂。3.3.绿色化学的最大特点绿色化学的最大特点 绿色化学的最大特点在于它是在始端就采用绿色化学的最大特点在于它是在始端就采用实现污染预防的科学手段，因而过程和终端均为实现污染预防的科学手段，因而过程和终端均为零排放或零污染。显然，绿色化学技术不是去对零排放或零污染。显然，绿色化学技术不是去对终端或生产过程的污染进行控制或处理。所以绿终端或生产过程的污染进行控制或处理。所以绿色化学技术根本区别于色化学技术根本区别于
5、三废处理三废处理，后者是终端，后者是终端污染控制而不是始端污染的预防污染控制而不是始端污染的预防。绿色化学是研究和寻找能充分利用的无毒害绿色化学是研究和寻找能充分利用的无毒害原材料，最大程度地节约能源，在各环节都实现原材料，最大程度地节约能源，在各环节都实现净化和无污染的反应途径。它的主要特点主要体净化和无污染的反应途径。它的主要特点主要体现在以下五个方面：现在以下五个方面：绿色化学的特点绿色化学的特点(1)(1)原料原料绿色化，以无毒、无害，可再生资源为原料绿色化，以无毒、无害，可再生资源为原料为了人类健康和社会的发展，需要用无毒无害的原料来生产所需的为了人类健康和社会的发展，需要用无毒无害
6、的原料来生产所需的化工产品。化工产品。(2)(2)化学反应绿色化，选择化学反应绿色化，选择“原子经济性反应原子经济性反应”TrostTrost在在19911991年首先提出了原子经济性年首先提出了原子经济性(AOnleconomy(AOnleconomy的概念，的概念，理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不生副产物或废物。实观废物的不生副产物或废物。实观废物的“零排放零排放”。对于基本有机原料的。对于基本有机原料的生产来说，选择原子经济反应十分重要。生产来说，选择原子经济反应十分重要。(3)(3)催化剂绿色化，使用
7、无毒、无害，可回收的催化剂催化剂绿色化，使用无毒、无害，可回收的催化剂 选用对设备的无腐蚀性、对人身无危害和不产生废渣、不污染选用对设备的无腐蚀性、对人身无危害和不产生废渣、不污染环境的催化剂，以达到保护环境的目的。环境的催化剂，以达到保护环境的目的。(4)(4)溶剂绿色化，使用无毒、无害，可回收的溶剂溶剂绿色化，使用无毒、无害，可回收的溶剂 大量的与化学品制造相关的污染问题不仅来源于原料大量的与化学品制造相关的污染问题不仅来源于原料和产品，而且还源自在其制造过程中使用的物质。最常见和产品，而且还源自在其制造过程中使用的物质。最常见的就是在反应介质、分离和配方中所用的溶剂。当前广泛的就是在反应
8、介质、分离和配方中所用的溶剂。当前广泛使用的溶剂是挥发性较强的有机化合物。其在使用过程中使用的溶剂是挥发性较强的有机化合物。其在使用过程中会引起一系列的环境污染问题。因此，需要限制这类溶剂会引起一系列的环境污染问题。因此，需要限制这类溶剂的使用，采用无毒无害的溶剂代替挥发性有机化合物作溶的使用，采用无毒无害的溶剂代替挥发性有机化合物作溶剂已成为绿色化学的重要研究方向。剂已成为绿色化学的重要研究方向。(5)(5)产品绿色化，可再生、可回收产品绿色化，可再生、可回收 我们必须开发研制环境友好产品，让我们使用化学产我们必须开发研制环境友好产品，让我们使用化学产品是无毒、无害的产品，如我们已经产生了无
9、氟冰箱，用品是无毒、无害的产品，如我们已经产生了无氟冰箱，用环保的制冷剂代替了氟氯烃；为了防止环保的制冷剂代替了氟氯烃；为了防止“白色污染白色污染”，提，提倡使用生物降解塑料。倡使用生物降解塑料。4.4.绿色化学绿色化学1212项原则项原则 （1 1）从源头制止污染，而不是在末端治理污染。）从源头制止污染，而不是在末端治理污染。（2 2）合成方法应具备）合成方法应具备 原子经济性原子经济性 原则，即尽量使原则，即尽量使参加反应过程的原子都进入最终产物。参加反应过程的原子都进入最终产物。（3 3）在合成方法中尽量不使用和不产生对人类健康）在合成方法中尽量不使用和不产生对人类健康和环境有毒有害的物
10、质。和环境有毒有害的物质。（4 4）设计具有高使用效益低环境毒性的化学产品。）设计具有高使用效益低环境毒性的化学产品。（5 5）尽量不用溶剂等辅助物质，不得已使用时它们）尽量不用溶剂等辅助物质，不得已使用时它们必须是无害的。必须是无害的。（6 6）生产过程应该在温和的温度和压力下进行，而）生产过程应该在温和的温度和压力下进行，而且能耗最低。且能耗最低。（7 7）尽量采用可再生的原料，特别是用生物质代替）尽量采用可再生的原料，特别是用生物质代替石油和煤等矿物原料。石油和煤等矿物原料。（8 8）尽量减少副产品。）尽量减少副产品。（9 9）使用高选择性的催化剂。）使用高选择性的催化剂。（1010）化
11、学产品在使用完后能降解成无害的物质并且）化学产品在使用完后能降解成无害的物质并且能进入自然生态循环。能进入自然生态循环。（1111）发展适时分析技术以便监控有害物质的形成。）发展适时分析技术以便监控有害物质的形成。（1212）选择参加化学过程的物质，尽量减少发生意外）选择参加化学过程的物质，尽量减少发生意外事故的风险。事故的风险。二、化学实验的绿色化二、化学实验的绿色化 中学化学实验的绿色化设计是以绿色意识为指中学化学实验的绿色化设计是以绿色意识为指导思想，力图把传统的导思想，力图把传统的“粗放型粗放型”实验，改革成实验，改革成为为“集约型集约型”的绿色化学实验方法。我们可以从的绿色化学实验方
12、法。我们可以从以下几个方面探索中学化学实验：以下几个方面探索中学化学实验：第一，选择对环境影响尽可能小的反应物，第一，选择对环境影响尽可能小的反应物，寻找实验中有毒药品的替代品。如白磷自燃这一寻找实验中有毒药品的替代品。如白磷自燃这一实验。对这一实验进行绿色化设计，以无毒的镁实验。对这一实验进行绿色化设计，以无毒的镁粉和石英为原料，制备粉和石英为原料，制备MgMg2 2SiSi，然后将其投入水中，然后将其投入水中，MgMg2 2SiSi水解产生水解产生SiHSiH4 4在空气中自燃。在空气中自燃。其化学原理为：其化学原理为：(1)SiO(1)SiO2 2+4Mg=2MgO+Mg+4Mg=2Mg
13、O+Mg2 2Si,Si,(2)Mg(2)Mg2 2Si+4HSi+4H2 2O=Mg(OH)O=Mg(OH)2 2+SiH+SiH4 4,(3)SiH(3)SiH4 4+2O+2O2 2=SiO=SiO2 2+2H+2H2 2O.O.整个实验安全、无毒、无污染，符合绿色整个实验安全、无毒、无污染，符合绿色实验要求。实验要求。第二，研究最佳实验条件，控制试剂用量，第二，研究最佳实验条件，控制试剂用量，努力实现实验的微型化，并注意节约能源，合理努力实现实验的微型化，并注意节约能源，合理设计实验装置。如在作设计实验装置。如在作COCO还原还原CuOCuO实验中，可以用实验中，可以用如下图所示装置演
14、示，这样既防止了如下图所示装置演示，这样既防止了COCO对环境造对环境造成不良影响，又节约了能源。成不良影响，又节约了能源。第三，改进和设计实验符合绿色化要求的尾第三，改进和设计实验符合绿色化要求的尾气吸收装置，对实验产物进行无害化处理，鼓励气吸收装置，对实验产物进行无害化处理，鼓励学生进行绿色化实验探索，增强学生的绿色意识。学生进行绿色化实验探索，增强学生的绿色意识。易造成环境污染的几个实验易造成环境污染的几个实验序号序号实验名称实验名称污染物污染物1白磷自燃；白磷、红磷着火点比白磷自燃；白磷、红磷着火点比较较P2O52CO还原还原Fe2O3CO3Cl2的制取；的制取；Na在在Cl2中燃烧中
15、燃烧Cl24SO2、H2S的性质的性质SO2、H2S5Cu与与HNO3的反应的反应NO、NO26实验室制取实验室制取C2H4、C2H2SO2、PH3、AsH37苯的溴代苯的溴代苯、溴蒸汽苯、溴蒸汽小结小结:化学实验绿色化的基本思路化学实验绿色化的基本思路(1)(1)绿色绿色:开发绿色实验开发绿色实验(2)(2)回收回收:妥善处理尾气、废物妥善处理尾气、废物(3)(3)简约简约:使实验小型化、微型化使实验小型化、微型化(4)(4)模拟模拟:计算机模拟化学实验或视频计算机模拟化学实验或视频资料资料:使用化学品的使用化学品的“5R”5R”原则原则(1)(1)减量使用减量使用(Reduction)(R
16、eduction)。在实验、生产与生活中，凡用到化学。在实验、生产与生活中，凡用到化学品时，都应该在不影响效果的情况下，尽量减少其用量，即节省资品时，都应该在不影响效果的情况下，尽量减少其用量，即节省资源，又减少源，又减少“三废三废”的排放，避免造成对环境的污染。的排放，避免造成对环境的污染。(2)(2)重复使用重复使用(Reuse)(Reuse)，既是降低成本的需要，又是减废的需要，既是降低成本的需要，又是减废的需要，诸如化学过程中，催化剂、载体的重复使用等诸如化学过程中，催化剂、载体的重复使用等。(3)(3)回收回收(Recyciing)(Recyciing)，对科学家而言，世界上没有废物
17、，只有未，对科学家而言，世界上没有废物，只有未利用的物质。所以回收可有效实现利用的物质。所以回收可有效实现“省资源、少污染、减成本省资源、少污染、减成本”的的要求，要求，如回收未反应原料、回收副产物、回收助溶剂、催化剂、稳如回收未反应原料、回收副产物、回收助溶剂、催化剂、稳定剂等非反应试剂，达到循环使用的目的。定剂等非反应试剂，达到循环使用的目的。(4)(4)再生再生(Regeneration)(Regeneration)，要求在设计化工产品时，就应考虑到原，要求在设计化工产品时，就应考虑到原材料、产品的再生利用，即变废为宝，节省资源、能源，减少污染，材料、产品的再生利用，即变废为宝，节省资源
18、、能源，减少污染，如离子交换树脂、磺化煤等。如离子交换树脂、磺化煤等。(5)(5)拒用拒用(Reiection)(Reiection)，指对一些无法代替，又无法回收、再生和，指对一些无法代替，又无法回收、再生和重复使用、有毒副作用、污染作用的原料，拒绝在化学过程中使用。重复使用、有毒副作用、污染作用的原料，拒绝在化学过程中使用。如全国查禁毒鼠强，停止二使用含磷洗衣粉如全国查禁毒鼠强，停止二使用含磷洗衣粉。小结小结 绿色化学的基本思想绿色化学的基本思想(1)(1)原料原料绿色化绿色化，以无毒、无害，可再生资源，以无毒、无害，可再生资源为原料为原料(2)(2)化学反应绿色化化学反应绿色化，选择，选
19、择“原子经济性反应原子经济性反应”(3)(3)催化剂绿色化催化剂绿色化，使用无毒、无害，可回收的，使用无毒、无害，可回收的催化剂催化剂(4)(4)溶剂绿色化溶剂绿色化，使用无毒、无害，可回收的溶，使用无毒、无害，可回收的溶剂剂(5)(5)产品绿色化产品绿色化，可再生、可回收，可再生、可回收实验实验1-2 氯气的生成及其性质的微型实验氯气的生成及其性质的微型实验 氯气的制备及其化学性质的研究是高中氯气的制备及其化学性质的研究是高中化学课程中的重要部分化学课程中的重要部分。然而。然而,氯气的毒性和氯气的毒性和危害是学生亲自进行氯气制备和性质实验的危害是学生亲自进行氯气制备和性质实验的最大障碍最大障
20、碍。现运用微型实验的思想对氯气的。现运用微型实验的思想对氯气的制备和性质实验装置进行了设计制备和性质实验装置进行了设计,能大大降低能大大降低氯气的危害程度氯气的危害程度.该套实验装置也同样适用于该套实验装置也同样适用于其他有毒气体的制备和性质研究其他有毒气体的制备和性质研究。(如如,二氧二氧化硫和硫化氢的化学性质化硫和硫化氢的化学性质)1 1 实验用品实验用品仪器仪器:学生记录单学生记录单;1;1张白纸张白纸;2;2个直径为个直径为6cm6cm的培的培养皿养皿;2;2个直径为个直径为9cm9cm的培养皿的培养皿(作盖子作盖子);9);9支滴管支滴管;棉纸棉纸。药品药品:“84“84消毒液消毒液
21、”(约含约含5%5%次氯酸钠次氯酸钠););硫酸亚硫酸亚铁铵溶液铁铵溶液(新制新制)1%(w/v);)1%(w/v);亚硫酸钠溶液亚硫酸钠溶液(新新制制)1%(w/v);0.05mol/L)1%(w/v);0.05mol/L碘化钾溶液碘化钾溶液;1mol/L;1mol/L硫酸硫酸溶液溶液;硫氰酸钾溶液硫氰酸钾溶液1%(w/v);1%(w/v);鲜橙汁鲜橙汁。回顾回顾:实验室制备氯气通常是用二氧化锰与浓实验室制备氯气通常是用二氧化锰与浓盐酸在加热条件下反应盐酸在加热条件下反应,生成的氯气通过排饱和食生成的氯气通过排饱和食盐水的方法进行收集盐水的方法进行收集;氯气的性质实验一般都是在氯气的性质实验
22、一般都是在集气瓶和试管中进行集气瓶和试管中进行,操作步骤比较复杂操作步骤比较复杂,不利于不利于学生亲自动手实验学生亲自动手实验。反应方程式为。反应方程式为:MnO2+4HCl(浓浓)=MnCl2+Cl2 +2H2OKClO3+6HCl(浓浓)=KCl+3Cl2+3H2O2KMnO4+16HCl(浓浓)=2 KCl+2MnCl2+5Cl2+8H2O 此外此外:KClOKClO3 3+HCl(+HCl(浓浓),KMnO),KMnO4 4+HCl(+HCl(浓浓)也可也可用于实验室制备氯气用于实验室制备氯气,不需加热不需加热,写出反应的化学方程式写出反应的化学方程式:本实验制备氯气不需加热本实验制备
23、氯气不需加热,实验原理也相当实验原理也相当简单简单:当当pH4pH4时时,氯气与冷的强碱反应氯气与冷的强碱反应,生成次氯生成次氯酸盐酸盐;当当pH4pH4时时,次氯酸盐与盐酸次氯酸盐与盐酸(这里用稀硫酸这里用稀硫酸和和“8484消毒液消毒液”中的氯离子代替中的氯离子代替)反应生成氯气反应生成氯气。另外另外,用高锰酸钾与浓盐酸反应用高锰酸钾与浓盐酸反应或者或者KClO3+HCl(浓浓)制备氯气制备氯气,也不需加热也不需加热,可以用做本实验的替可以用做本实验的替代反应物代反应物。2.2.实验原理实验原理:稀硫酸稀硫酸 +“84+“84消毒液消毒液”ClCl2 2 次氯酸钠是普通漂白液次氯酸钠是普通
24、漂白液(约含约含5%)5%)中的有效成中的有效成分分。制备次氯酸钠的反应如下。制备次氯酸钠的反应如下:(pH:(pH4)4)ClCl2 2+2NaOH=NaCl+NaClO+H+2NaOH=NaCl+NaClO+H2 2O O因此因此,制备氯气也可以通过漂白液制备氯气也可以通过漂白液(这里用这里用“8484消消毒液毒液”代替代替,该溶液中约含该溶液中约含5%5%的次氯酸钠的次氯酸钠)与稀硫与稀硫酸在培养皿中反应制得酸在培养皿中反应制得:(pH:(pH4)4)ClOClO-+Cl+Cl-+2H+2H+=Cl=Cl2 2+H+H2 2O O反应如下反应如下:3.3.实验装置实验装置4.4.实验步骤
25、实验步骤(1)(1)将小培养皿放在白纸上将小培养皿放在白纸上。各种溶液及其用量。各种溶液及其用量按图按图1 1所示分别滴加到培养皿中的相应位置所示分别滴加到培养皿中的相应位置。接。接着着,在培养皿中央滴加在培养皿中央滴加“8484消毒液消毒液”和稀硫酸和稀硫酸(注意滴加顺序和液滴的问题注意滴加顺序和液滴的问题),),并立即盖上大培并立即盖上大培养皿养皿。(2)1min(2)1min后后,可以观察到培养皿中各种液滴的颜可以观察到培养皿中各种液滴的颜色发生了变化色发生了变化,生成的物质如图生成的物质如图2 2所示所示,反应现象反应现象如表如表1 1所示所示。(3)(3)移走大培养皿移走大培养皿,迅
26、速向含铁离子的液滴中加迅速向含铁离子的液滴中加1 1滴硫氰酸钾溶液滴硫氰酸钾溶液,向硫酸钠液滴中滴加向硫酸钠液滴中滴加1 1滴盐酸滴盐酸酸化的氯化钡溶液酸化的氯化钡溶液,向含碘的液滴中加向含碘的液滴中加1 1滴淀粉滴淀粉溶液溶液,如图如图3 3所示所示,各液滴的颜色变化情况见表各液滴的颜色变化情况见表1 1所示所示。此反应生成的氯气迅速扩散到培养皿中的其此反应生成的氯气迅速扩散到培养皿中的其他液滴里进行反应他液滴里进行反应,立即就能观察到各液滴的颜色立即就能观察到各液滴的颜色发生变化发生变化,发生的反应如下发生的反应如下:2Fe2Fe2+2+Cl+Cl2 2=Fe=Fe3+3+2Cl+2Cl-
27、Fe Fe3+3+3SCN+3SCN-=Fe(SCN)=Fe(SCN)3 3;SOSO3 32-2-+Cl+Cl2 2+H+H2 2O=SOO=SO4 42-2-+2H+2H+2Cl+2Cl-Ba Ba2+2+SO+SO4 42-2-=BaSO=BaSO4 4;2I2I-+Cl+Cl2 2=I=I2 2+2Cl+2Cl-;ClCl2 2使鲜橙汁里的天然色素变成无色的了使鲜橙汁里的天然色素变成无色的了(漂白性漂白性)。(4)(4)另取另取2 2个培养皿个培养皿(一大一小一大一小),),按图按图4 4所示用量滴所示用量滴加各种溶液加各种溶液,用大培养皿盖住用大培养皿盖住1min1min后重复步骤后重复步骤3 3
